IACMI :stimuler l'innovation dans l'industrie des composites avancés

Membres de l'IACMI au CAMX 2019. Source | IACMI

Depuis son lancement en 2015, l'Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI - The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, États-Unis) a construit un réseau d'industries, d'institutions universitaires et de gouvernements fédéral, étatiques et locaux qui travaillent ensemble pour améliorer la sécurité énergétique et économique des États-Unis grâce au développement de la technologie des composites. Ce consortium comprend plus de 160 membres dans 31 États, plus de 130 entreprises et 17 instituts universitaires. Lancé en tant que cinquième institut d'innovation Manufacturing USA et soutenu par le bureau de fabrication avancée du département américain de l'Énergie, l'IACMI a prouvé ses capacités au cours des cinq dernières années pour accélérer le développement de composites avancés dans cinq domaines technologiques :

• matériaux et procédés composites,
• stockage de gaz comprimé (CGS),
• véhicules,
• éoliennes, et
• conception, modélisation et simulation.

Lors du lancement de l'Institut, ces domaines ont été identifiés comme ceux dans lesquels une fabrication de composites plus économe en coûts, en matériaux et en énergie pourrait avoir un impact significatif. Depuis lors, la communauté des composites au sein de l'IACMI s'est développée pour soutenir des marchés en expansion tels que les infrastructures, la défense et les transports afin d'améliorer les besoins de sécurité des États-Unis.

En 2016, l'IACMI a dirigé l'élaboration d'une feuille de route pour guider l'avancement et la commercialisation de composites à faible coût et économes en énergie dans les cinq domaines technologiques. Développée avec l'engagement des parties prenantes de l'industrie, la feuille de route a identifié la R&D prometteuse nécessaire pour réduire les risques de mise en œuvre de la technologie et développer une chaîne d'approvisionnement robuste pour l'industrie des composites avancés. Plus précisément, la feuille de route a décrit plus de 200 voies technologiques pour atteindre les objectifs techniques déclarés de l'IACMI de 25 % de réduction du coût des polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP), 50 % de réduction de l'énergie intrinsèque du CFRP et 80 % de recyclabilité ou de réutilisation dans des produits utiles.

Un réseau d'innovation collaborative

Au cours des cinq dernières années, la feuille de route a servi de catalyseur à l'IACMI et à ses membres pour lancer des efforts de démonstration de technologie collaborative. Plus de 70 millions de dollars ont été investis dans plus de 50 projets de R&D dirigés par l'industrie, avec la participation de 90 sociétés membres. Ces projets financés s'alignent sur les activités les plus prioritaires de la feuille de route pour à la fois répondre aux besoins des membres de l'IACMI et faire des progrès tangibles vers ses objectifs techniques. Alors que 2020 commence, nous réfléchissons à des exemples de projets récents dans nos domaines technologiques.

Matériaux et procédés composites : Les résines et adhésifs à durcissement rapide peuvent aider les fabricants à réduire les temps de cycle nécessaires à la production de gros volumes de pièces composites. De plus, les produits fabriqués à partir de fibres de carbone discontinues récupérées nécessitent une fraction de l'énergie nécessaire pour produire un matériau vierge avec seulement des réductions mineures des propriétés mécaniques. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) et ses partenaires ont démontré un nouvel intérieur de capot automobile moulé par compression utilisant des préimprégnés d'ester vinylique sans diluant qui ont réduit les coûts de fabrication de 22 %, l'énergie intrinsèque de 33 %, la stabilité de la durée de conservation prolongée, éliminé le besoin de stockage réfrigéré, a considérablement amélioré la résistance interfaciale résine-fibre et a permis de recycler et de réutiliser les déchets de préimprégné. L'American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, Va.) et les partenaires du projet, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan), CHZ Technologies (Austintown, Ohio), A. Schulman (Fairlawn, Ohio) Oak Ridge National Le laboratoire (ORNL, Knoxville, Tenn.) développe également une méthode de pyrolyse évolutive à basse température pour récupérer des matériaux de valeur à partir de déchets composites à flux dédiés ou mixtes.

Modélisation et simulation : Les outils de modélisation et de simulation aident les concepteurs à prédire le comportement structurel, à réduire les étapes de production, à optimiser la conception et à gérer les tests de produits et le développement de prototypes pour les produits composites. Le Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) de l'IACMI fournit aux membres un accès Web sécurisé à des outils de simulation commerciaux pour résoudre les problèmes de conception, de fabrication et de performance des matériaux composites. DuPont (Troy, Michigan), Fibrtec (Atlanta, Texas) et l'Université Purdue (West Lafayette, Ind.) ont utilisé des outils de modélisation prédictive pour démontrer comment les matériaux composites flexibles fibre de carbone/polyamide de Fibrtec et le Rapid Fabric Formation (RFF) de DuPont ) la technologie de traitement pourrait réduire les coûts et les déchets de fibre de carbone de 30 % et l'énergie grise de 40 %.

Véhicules : Les composites renforcés de fibres aident les constructeurs automobiles à maximiser les opportunités de réduction de masse des véhicules, mais leur mise en œuvre est limitée par des coûts élevés, de longs délais de production, une joignabilité peu fiable, une faible recyclabilité et une chaîne d'approvisionnement sous-développée. Les technologies de moulage composite hautement automatisées pour les intermédiaires composites de forme quasi nette peuvent améliorer la flexibilité de la conception tout en réduisant les temps de cycle de fabrication et les déchets. Toray Composites (Tacoma, Wash.) s'est associé à des experts de la chaîne d'approvisionnement du préimprégné pour développer et optimiser une technologie de moulage de préimprégné en fibre de carbone rapide qui réduit le coût des composants automobiles ciblés de 15 %. Pendant ce temps, Ford (Dearborn, Michigan) avec DowAksa (Marietta, Géorgie), Dow Chemical (Midland, Michigan), ORNL, Michigan State University (Lansing, Michigan), University of Tennessee (Knoxville, Tenn.) et Purdue L'université a développé un nouveau système de résine époxy ainsi qu'un composé de moulage de feuille de fibre de carbone (SMC) haché adapté à la production en grand volume de plus de 100 000 pièces automobiles par an.

Stockage de gaz comprimé (CGS) :Les matériaux composites peuvent aider à répondre à la demande croissante de réservoirs de gaz naturel comprimé - et éventuellement de réservoirs de stockage d'hydrogène - en tant qu'alternative à faibles émissions à l'essence et au diesel. Les réservoirs CGS composites à base de thermoplastique peuvent améliorer les caractéristiques de recyclabilité en fin de vie, tandis que les stratégies d'automatisation peuvent permettre une production à faible coût et en grand volume pour la mise en œuvre par les constructeurs automobiles. DuPont avec Steelhead Composites LLC (Goldon, Colorado), le Composite Prototyping Center (CPC, Plainview, NY) et le University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio) ont conçu un nouveau processus de fabrication et un système de résine à base de thermoplastique qui réduit les composants poids, améliore la recyclabilité, augmente la résistance aux dommages et réduit les coûts de production jusqu'à 20 %.

Éoliennes :Alors que des pales d'éoliennes plus légères et plus longues sont nécessaires pour augmenter l'efficacité et la capacité de production d'électricité, les technologies composites d'aujourd'hui pour produire ces pales prennent du temps à produire, sont économiquement difficiles à recycler et de plus en plus difficiles à transporter de l'usine au champ. TPI Composites (Scottsdale, Arizona), Arkema Inc. (King of Prussia, Pennsylvanie), Johns Manville (Denver, Colorado), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, Michigan), Strongwell (Bristol, Va.), DowAksa USA , Chomarat North America (Williamston, SC), Composites One (Arlington Heights, Ill.), SikaAxson (maintenant Sika Advanced Resins, Madison Heights, Michigan), Creative Foam (Fenton, Michigan) et Chem-Trend (Howell, Mich. .) a démontré avec succès une pale d'éolienne de 9 mètres à grande échelle et a introduit un nouveau procédé de moulage par transfert de résine sous vide (VARTM) pour les composites thermoplastiques qui réduit les coûts de production et améliore la recyclabilité par rapport aux composites thermodurcissables. En outre, Arkema et des partenaires dont Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, NC), SAERTEX USA LLC (Huntersville, NC), General Electric Co. (Boston, Mass.), TPI Composites Inc., University of Tennessee, National Renewable Energy Laboratory (NREL, Goldon, Colorado) et la Colorado School of Mines (Golden) ont développé une nouvelle méthode de soudage thermique non adhésif pour les composites thermoplastiques qui réduit les défauts de fabrication par rapport aux méthodes de collage et pose les bases d'une solution potentielle pour sur -assemblage sur site de pales d'éoliennes plus longues.

Ces projets collaboratifs de l'IACMI et d'autres stimulent la commercialisation ; plus de 10 nouveaux produits sont désormais disponibles dans le commerce grâce aux résultats de la collaboration IACMI, et incluent des coûts réduits grâce à un durcissement rapide, une longévité accrue des produits et des technologies de fabrication efficaces.

Installations de R&D de classe mondiale , ressources et développement de la main-d'œuvre

En plus des projets collaboratifs, l'un des principaux différenciateurs de l'IACMI est ses environnements prêts à la production pour l'innovation, stratégiquement situés dans tout le pays. Par exemple, l'installation de recherche à grande échelle (SURF) de l'IACMI, située à Detroit, dans le Michigan, offre plus de 50 000 pieds carrés d'espace de collaboration, des équipements de fabrication de composites à l'échelle de la production et des espaces d'analyse et de préparation des matériaux. SURF est la seule installation pilote de fabrication de composites à l'échelle de la production ouverte aux partenaires industriels, gouvernementaux et universitaires.

Le laboratoire des composites de l'Institut de recherche de l'Université de Dayton (UDRI) dans l'Ohio comprend des cellules de travail de fabrication à grande échelle et une incubation de petites entreprises. L'UDRI s'est associée à plus de 20 membres de l'IACMI basés dans l'Ohio pour faire progresser les matériaux de préimprégné et de moulage en feuille à durcissement rapide, les résines d'ester vinylique, l'outillage fabriqué par additif pour les grandes aérostructures composites, les technologies de production de nanotubes de carbone et plus encore.

Travaillant en collaboration avec les capacités de conception, d'analyse et de validation structurelle du NREL, le Composites Manufacturing and Education Technology Facility (CoMET) fournit une installation de 10 000 pieds carrés dans le Colorado. Au CoMET, les partenaires industriels et les chercheurs universitaires peuvent concevoir, prototyper, tester et fabriquer des matériaux et des composants de pales d'éoliennes à l'échelle du mégawatt, y compris des capuchons de longeron en fibre de carbone pultrudée, des dimensionnements spécialisés en fibre de verre et de nouvelles résines thermoplastiques.

Enfin, en partenariat avec Purdue University, l'Indiana Manufacturing Institute a récemment ouvert son nouveau Composites Manufacturing and Simulation Center. Le centre sert de banc d'essai à ses partenaires étatiques pour tirer parti des technologies de nouvelle génération de l'Industrie 4.0 et développer des outils de simulation complets pour la modélisation des structures composites, de la fabrication au cycle de produit en fin de vie.

En plus de mener des activités de R&D, l'IACMI s'efforce de renforcer la main-d'œuvre de fabrication de composites avancés. Depuis sa création, IACMI a :

• formé plus de 2 000 participants dans le cadre d'ateliers pratiques,
• a fait participer plus de 9 000 élèves de la maternelle à la 12e année aux activités et opportunités STEM et
• a accueilli plus de 100 stagiaires, dont 100 % ont obtenu leur diplôme avec une offre d'emploi dans l'industrie ou l'acceptation d'un programme d'études supérieures dans les six mois suivant l'obtention de leur diplôme.

Cette chronique est la première d'une série mettant en lumière le travail de l'IACMI et de ses partenaires. Chez IACMI, nous nous engageons pour l'avenir de la fabrication de composites avancés et catalysons activement les efforts de l'industrie pour développer une chaîne d'approvisionnement robuste, réduire les risques techniques pour les fabricants et favoriser la main-d'œuvre composite de nouvelle génération. Mais notre succès dépend de la participation de la communauté de fabrication des composites, ainsi que d'un flux continu de projets pour alimenter le pipeline d'innovation. En savoir plus pour nous rejoindre sur iacmi.org.

À propos de l'auteur

Uday Vaidya est directeur de l'installation de fabrication de fibres et de composites de l'Université du Tennessee (FCMF), directeur de la technologie de l'IACMI et président du gouverneur du laboratoire national de l'Université du Tennessee-Oak Ridge en fabrication de composites avancés. Vaidya est un expert de la fabrication et du développement de produits avec des composites polymères renforcés de fibres. Vaidya est rédactrice en chef de la revue Composites B:Engineering d'Elsevier. Il engage un large éventail d'étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs dans l'apprentissage par l'expérience avec les technologies composites.